viernes, 18 de septiembre de 2009

FÍSICA APLICADA: LEY DE BOYLE

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.


"En un proceso isotérmico (temperatura constante) el volumen de un gas varía inversamente proporcional a la presión absoluta a la que esta sometido, mientras que la densidad varia proporcionalmente a esta."


La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante, es decir:

El volumen es inversamente proporcional a la presión:

•Si la presión aumenta, el volumen disminuye.
•Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

(el producto de la presión por el volumen es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Boyle.

Ejemplo:

4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg?

Solución: Sustituimos los valores en la ecuación P1V1 = P2V2.


(600.0 mmHg) (4.0 L) =(800.0 mmHg) (V
2)

Si despejas V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 3L.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

Robert Boyle de origen aristócrata nació en el Castillo de Lismore en Lismore, Waterford, Irlanda, en 1627 Séptimo hijo varón y decimocuarto en total, del rico conde inglés de Cork. Aún niño, aprendió a hablar latín y francés, siendo enviado con tan sólo ocho años al colegio Eton, del cual era director el amigo de su padre Sir Henry Wotton. A los 15 años partió de viaje con un tutor francés. Vivió cerca de dos años en Génova y visitando Italia en 1641, pasó el invierno en Florencia estudiando las paradojas de Galileo Galilei, quien fallecería al año siguiente.


En 1657, leyendo acerca de la bomba de aire de Otto von Guericke, se propuso con la ayuda de Robert Hooke desarrollar mejoras en su construcción, que dieron por resultado la máquina Boyleana o máquina neumática finalizada en 1659 y con la que comenzó una serie de experimentos acerca de las propiedades del aire. En 1660, publicó una relación de los trabajos realizados con ese instrumento con el título New Experiments PhysicoMechanical touching the spring of air and its effects (Nuevos experimentos físico-mecánicos sobre la elasticidad del aire y sus efectos).

Usando tal bomba, fue el primero en demostrar la aseveración de Galileo de que, en el vacío, una pluma y un trozo de plomo caen a la misma velocidad, y también estableció que el sonido no se trasmite en el vacío. Su descubrimiento más importante debido a la Bomba de vacío fue el principio (llamado, más tarde, Ley de Boyle) de que el volumen ocupado por un gas es inversamente proporcional a la presión con la que el gas se comprime y también que, si se elimina la presión, el aire "recupera" (su propia palabra) su volumen original. Habiendo establecido que el aire era comprimible. Boyle se convenció de que éste estaba compuesto por pequeñas partículas separadas por espacio vacío. Todas estas ideas se publicaron en un libro con un título muy largo, que suele llamarse "la elasticidad del aire" y que desempeñó un papel significativo para establecer la idea de la naturaleza atómica de la materia.

En el campo de la química, Boyle observó que el aire se consume en el proceso de combustión y que los metales ganan peso cuando se oxidan. Reconoció la diferencia entre un compuesto y una mezcla, y formuló su teoría atómica de la materia basándose en sus experimentos de laboratorio.

Entre los críticos de las teorías expuestas en esta obra se encontraba el jesuita Franciscus Linus (1595-1675), mientras respondía a sus objeciones, Boyle enunció que el volumen de un gas varía de forma inversamente proporcional a la presión, conocida en el ámbito anglosajón como Ley de Boyle, y en el resto de Europa como ley de Boyle-Mariotte, aunque éste último no la publicara hasta 1676.


En torno a 1689, su salud, nunca demasiado robusta, comenzó a fallar lo que le obligó a apartarse de sus compromisos públicos, cesando sus comunicaciones con la Royal Society y haciendo público su deseo de ser excusado de recibir visitas, salvo en ocasiones muy extraordinarias, los martes y viernes por la mañana y miércoles y sábados por la tarde. Su salud empeoró en 1691, falleciendo el 30 de diciembre de ese mismo año al ser golpeado por una cortesana, justo una semana después de que falleciera su hermana, con la que había convivido más de 20 años. Su cuerpo fue enterrado en la capilla de St Martin's in the Fields, tras un funeral oficiado por su amigo el obispo Burnet.


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